高速铁路连续梁合龙段顶板开裂原因与对策

刘文荐

中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844

预应力混凝土连续箱梁桥具有结构刚度大、整体性能好、行车平顺舒适、养护简单等特点，在桥梁结构中被广泛采用［1-3］。悬臂施工法是铁路预应力混凝土连续箱梁桥最广泛的使用方法，而合龙段施工是悬臂现浇梁施工的关键工序［4-7］。文献［8-11］对我国连续梁桥实际工程中合龙段的施工顺序以及施工质量控制进行了研究。由于合龙段结构受力复杂，施工控制技术难度大，出现各类病害现象较普遍。对各类病害进行统计分析，合龙段可能出现纵横向裂缝、斜向裂缝、网裂、混凝土麻面、析盐等病害，裂缝的出现部位有顶板、底板和腹板［12-15］。总体来说，合龙段病害是连续结构体系桥梁的常见病害之一。

本文以一高速铁路未施加横向预应力筋的（32+48+48+32）m 双线连续梁桥为研究对象，对连续梁合龙段出现的顶板纵向裂缝进行现场调研，统计裂缝特征，进行结构安全性计算，分析裂缝原因，并给出相应整治措施和建议，对今后解决类似病害有借鉴意义。

1 病害概况

现场调研发现，在该高速铁路河南段上，全线多联采用挂篮施工的未施加横向预应力筋连续梁合龙段，出现不同程度地裂纹，裂纹全部分布在顶板底面，多数纵向贯通合龙段2 m 范围，裂纹宽度为0.1~0.2 mm，深度为10~30 mm。全线采用支架现浇方法施工的未施加横向预应力筋连续梁合龙段未出现裂纹。

在该高速铁路湖北段上，3 标—7 标共9 座连续梁桥合龙段发现裂纹，裂纹均分布在顶板底面。其中3 标有6 座桥发现裂纹，每座桥裂纹数量1~6 条，裂纹长度100 cm 以内，最大裂纹宽度小于0.2 mm；4 标—7 标中每标有1 座桥发现裂纹，4 标的汉江特大桥上裂纹数量有9条，均在边跨合龙段顶板底面，最大裂纹宽度0.15 mm；5 标的清凉河双线特大桥上裂纹数量有73 条，也均在边跨合龙段顶板底面，最大裂纹宽度0.18 mm。

高速铁路河南段、湖北段部分连续梁合龙段典型裂纹见图1。

图1 部分连续梁合龙段典型裂纹

2 裂缝特征及原因分析

经过对该高速铁路未施加横向预应力筋连续梁合龙段顶板裂纹统计分析，裂纹特征有：①裂纹均为纵向贯通，未发现横向裂纹。②边跨合龙段与中跨合龙段顶板底部均存在纵向裂纹，且数量分布大致相同。③边跨合龙段与中跨合龙段相邻节段未发现裂纹。④不同季节施工的连续梁合龙段顶板底部均存在裂纹，与其施工季节无明显关联。

初步分析合龙段产生裂纹可能有以下原因：

1）受合龙段混凝土温度应力影响。未合龙前梁体通风顺畅，内外部温差小。合龙以后，梁体通风条件变差，当梁面环境温度升高时，内外温差大。温度导致横截面产生拉应力，产生温度裂纹。

2）合龙段混凝土由拌和站集中生产配送。现场可能存在合龙段混凝土未按规范要求采用C55补偿收缩混凝土的情况。

3）受合龙段与两侧悬浇段施工时差影响。由于合龙段与两侧悬浇段施工存在的时间间隔，合龙施工时两侧悬浇段混凝土收缩已完成了一部分，合龙段混凝土浇筑后有从两边向中间收缩的趋势，但受到两个已完成部分收缩的混凝土悬浇段的阻挠，使合龙段受到水平张力从而产生裂缝。

4）受连续梁悬浇段施工线形控制不严影响。当两侧悬浇段梁体轴线与设计中心线相差较大时，合龙段预应力管道布设会发生弯折，在合龙段会有较小的折角，当顶板预应力钢束张拉后，导致合龙段在钢束折角处产生水平分力，使合龙段产生纵向裂纹。

5）合龙段混凝土养护不到位。混凝土干缩导致顶板底混凝土表面出现纵向裂缝。

3 结构安全性检算

对目前出现的裂纹进行计算分析，如其不再继续发展，则满足桥梁结构安全使用要求。

针对该高速铁路部分连续梁在边跨合龙段箱梁内顶板倒角50 cm 处出现的纵向裂纹和中跨合龙段横隔梁过人孔的上倒角处出现往顶板发展的裂纹情况，选择无横向预应力筋的（32+48+48+32）m 双线连续梁（有砟道床）进行分析，按直线、曲线和有无声屏障包络计算。

3.1 结构形式

1）桥跨布置：（32+48+48+32）m 预应力混凝土连续梁，全长161.1 m（含两侧梁端至边支座中心各0.55 m）。

2）桥面宽度：挡砟墙内侧净宽9.4 m，桥梁宽12.6 m，桥梁建筑总宽12.9 m。

3）结构高度：端支座处截面中心梁高为2.69 m，中支点处的为3.49 m（含顶板顶面横坡）。

3.2 设计荷载

3.2.1 恒载

1）结构构件自重：按TB 10002—2017《铁路桥涵设计基本规范》［16］第4.2.1条计算。

2）二期恒载：桥上二期恒载单侧声屏障直线梁按187 kN∕m 计算。横向计算时二期恒载的作用点按实际位置加载。

3）基础不均匀沉降：相邻两支点不均匀沉降为0.01 m。

4）混凝土收缩徐变：环境条件按野外一般条件计算，相对湿度取70%。

5）预应力索径向力：横向计算模式下，考虑预应力索径向力，其值根据截面位置的有效预应力进行计算。

3.2.2 活载及附加荷载

1）列车竖向静活载采用ZK活载。图式见图2。

图2 ZK活载图式（单位：m）

按TB 10621—2014《高速铁路设计规范》第7.2.8条计算竖向动力系数为

式中：Lφ为加载长度，m；1+μ为动力系数。

2）离心力：桥梁在曲线上时，考虑列车竖向静活载产生的离心力；横向摇摆力取100 kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。

3）风力：按TB 10002—2017 计算。桥上有声屏障时，受风面积均按实际情况计算，此时列车风力不重叠计算。纵向温度荷载按顶板升温5 ℃考虑，整体升降温均为20 ℃。箱梁温差荷载按TB 10002—2017计算。

4）制动力或牵引力：按竖向静活载的10%计。当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力应按列车竖向静活载的7%计算。

5）特殊荷载：按TB 10002—2017、TB 10621—2014和GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》计算。

3.3 计算结果

3.3.1 纵向受力主要计算结果（见表1）

表1 梁部纵向受力计算结果

由表1可见：

1）主力工况下，梁部强度安全系数2.42，抗裂安全系数1.33，满足规范要求。

2）主力+附加力工况下，梁部强度安全系数2.28，抗裂安全系数1.31，满足规范要求。

3.3.2 横向主要计算结果

裂缝出现在合龙段处，因此对合龙段截面分运梁、二期恒载、运营三阶段进行横向计算，每个阶段2个工况，共6 个工况。跨中合龙段设置厚0.6 m 的中横隔梁，计算不考虑横隔板影响。（32+48+48+32）m连续梁合龙段截面特征点处梁高为2.6 m（以顶板顶面最低点计），顶宽12.6 m，底宽5.3 m，横截面为单箱单室直腹板。顶板厚37 cm，腹板厚45 cm，底板厚30 cm。顶板未设置横向预应力钢束。

运梁、二期恒载、运营阶段共6个工况的检算结果见表2。

表2 各工况检算结果

根据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第6.2.6条，环境类别为碳化环境T1、T2、T3时，钢筋混凝土结构构件计算裂缝的宽度，主力工况下不应超过0.20 mm，主力+附加力工况作用时可提高20%，为0.24 mm。由表2可见：

1）运梁阶段。混凝土最大应力为7.3 MPa，钢筋最大应力为227.1 MPa，裂缝宽度最大值为0.236 mm。以上最大值均出现在组合2 工况下的顶板处，均满足设计要求。

2）二期恒载阶段。①主力工况下，混凝土最大应力为4.0 MPa，钢筋最大应力为210.0 MPa，裂缝宽度最大为0.217 mm；②主力+附加力工况下，混凝土最大应力为4.8 MPa，钢筋最大应力为124.3 MPa，裂缝宽度最大为0.132 mm。

3）运营阶段。①主力工况下，混凝土最大应力为7.7 MPa，钢筋最大应力为210.0 MPa，裂缝宽度最大为0.189 mm；②主力+附加力工况下，混凝土最大应力为8.7 MPa，钢筋最大应力为207.3 MPa，裂缝宽度最大为0.216 mm。

在所有工况下，混凝土最大应力均小于容许应力16.8 MPa，钢筋最大应力均小于容许应力270.0 MPa，裂缝宽度均小于容许值0.24 mm，均满足设计要求。

3.3.3 竖向变形计算结果

梁体在竖向静活载作用下产生的挠度值与温度引起的挠度值的0.5倍之和为-15.6 mm，在0.63倍列车竖向静活载作用下产生的挠度值与全部温度引起的挠度值之和为-10.6 mm。最不利情况为-15.6mm，对应挠跨比1∕3 077，满足规范要求值1∕1 400。

列车竖向静活载作用下梁端最大竖向转角为0.696‰，满足规范要求。

综上所述，（32+48+48+32）m 双线连续梁纵向、横向设计计算结果及竖向变形计算结果均满足规范要求。

4 整治措施及建议

对该高速铁路未施加横向预应力筋连续梁合龙段顶板底部出现纵向裂纹的整治措施为：

1）采用中国铁道科学研究院集团有限公司TK⁃J型修补材料对裂纹进行封闭处理，保证结构的耐久性。

2）各施工单位对连续梁合龙段顶板底面裂纹定期进行观测，判断裂纹是否进一步发展。

对今后新建连续梁工程管理提出以下建议：

1）建设管理方面

建设单位应充分利用铁路工程管理平台连续梁线形监测模块，加大线形监测现场管控力度；在悬臂浇筑连续梁首件评估工作中，要高度重视连续梁预应力管道及钢筋安装位置的精确性。

2）设计方面

设计单位应充分利用BIM 技术，在设计源头优化和解决钢筋及预应力管道安装碰撞问题，并进一步研究对新建特殊设计的连续梁合龙段增设横向预应力钢筋等措施，以避免或减少合龙段出现纵向贯通裂纹。

3）施工方面

施工单位要加强施工过程控制，细化和完善线形监测管理及实施方案，在合龙段适当加密布设全截面整体刚性井字架，保证预应力管道定位精准、管道顺直。

4）监理方面

监理单位应对连续梁施工关键工序如预应力管道的布设、钢筋安装、受力体系转换等加大检查力度，强化对关键工序的旁站和签认管理，符合设计要求及验收标准后方可进行下一道工序。

5 结论与建议

本文对一高速铁路未施加横向预应力筋的连续梁合龙段出现的裂缝情况进行了裂缝分析和结构检算。得到以下结论：

1）未施加横向预应力筋的连续梁合龙段顶板裂纹多为纵向贯通，未发现横向裂纹。

2）裂缝产生由合龙段温度应力、两侧悬浇段施工时差、悬浇段施工线形控制不严、合龙段混凝土养护不到位等因素所致。

3）可通过修补材料及裂缝长期观测等方式对合龙裂缝进行处理。

4）建议加大线形监测现场管控力度、保证预应力管道及钢筋安装位置的精确度等措施以有效减少连续梁合龙段裂缝产生。